浙江大学首次实现TMDC纳米管手性可控合成

💡这项突破是什么?

一维过渡金属二硫化物（TMDC）纳米管因1D量子限域效应、范霍夫奇点等独特量子现象，展现出特殊的力学、光学与电子学性质，理论上具有广阔的应用前景。然而，手性可控合成这一核心难题，自该类材料诞生起便始终困扰学界，三十余年来未获根本性突破。

近日，这一长期悬而未决的领域迎来关键突破——浙江大学机械工程学院原子级材料制造实验室项荣教授团队联合大连理工大学、西湖大学、苏州实验室、北京大学及日本大阪大学、东京大学等国内外合作单位首次实现TMDC纳米管的手性可控合成，选择性获得扶手椅型纳米管，一举攻克了横亘该领域三十余年的核心挑战。相关成果被国际顶级期刊《科学》接收，并于北京时间7月17日凌晨以First Release形式在线优先发布。

项荣教授团队合影

顶级纳米材料的现实困境

1991年，碳纳米管一经问世便在材料界引发了巨大轰动。这种神奇的一维纳米材料强度远超钢铁，导电导热性能顶尖。更特别的是，它的物理性质完全由分子卷曲方式决定：明明是同一种材料，但有的构型可以呈现金属导电性，有的则呈现典型的半导体特性。作为明星材料，碳纳米管早已被写入教科书、走进大学课堂，并受到学界与业界的长期研究与广泛关注。

然而，这种性能堪称完美的材料，自诞生之日起，产业化之路就被一道核心难题牢牢卡住：手性无法精准控制。早期合成的碳纳米管，卷曲角度完全随机，好比开盲盒。有时候明明想要半导体型碳纳米管，产物里却总会混进金属型碳管，直接导致器件短路失效。这道构型随机的难题，如同一道紧闭的闸门，将碳纳米管阻隔在大规模应用的大门之外，一挡就是三十多年。

无独有偶，同样的故事也在另一类纳米管材料身上重演。1992年，TMDC纳米管被科学家首次发现。TMDC是一个成员庞大的材料家族，二硫化钼、二硫化钨、二硫化锡等都属于此类。如果说碳纳米管是一维纳米材料的标杆，那TMDC纳米管就可以说是其“PRO MAX”版。TMDC的带隙覆盖范围更广，非线性光学效应更强，还能承载谷电子学等全新的物理效应，在光电器件、量子信息、催化等尖端领域拥有比碳纳米管更广阔的想象空间。

然而，纳米管材料的命运都是相似的。碳纳米管遭遇的手性控制难题，在TMDC纳米管身上不仅同样存在，且有过之而无不及。TMDC的晶格是三明治式的多层原子结构，刚性更强、更难发生卷曲形变，生长机理也远比碳纳米管复杂。因此从1992年首次发现至今的三十余年里，TMDC纳米管的构型控制问题几乎一直在原地踏步，领域整体还停留在“能成功合成就算有进展”的初级阶段。

因手性控制这道关口迟迟无法突破，TMDC纳米管的应用探索自然也遥遥无期。

一次偶然实验背后的重大发现

有一天，机械工程学院原子级材料制造实验室的博士后Abid在检查电子衍射数据时，发现了一个奇怪的现象：某一批新合成的TMDC在电子显微镜下呈现出高度一致的衍射斑点。“项荣教授问我为什么会发生这种现象，但我当时对此一无所知，以为结果本该如此。”Abid说。但团队敏锐地意识到，这个特殊的衍射图像背后很可能蕴含着某种尚未被人们认知的特殊机理，随即就这一奇特的现象开始了深入的研究。

论文第一作者机械工程学院博士后Abid

在实验室开展实验

团队发现，以氮化硼纳米管作为模具，让TMDC在模具的空心通道里生长，能够做到以前从来没有人能做到过的事情，即实现TMDC纳米管特定手性构型的选择性合成。以二硫化锡为例，以此法合成的“扶手椅型”TMDC纳米管占比最高可以达到84%。二硫化钼、二硫化钨用该方法，也同样能呈现出明显的扶手椅型偏好。

“这个发现颠覆了领域的认知。我们第一轮投稿时提供了50组数据，但因为这个结果太令人意外了，50组数据没有办法完全说服审稿人。”机械工程学院“百人计划”研究员郑永嘉说，“于是我们开始72小时连轴转，由三个人接力，人歇机器不歇，一口气采集了300组数据。这300组数据和前面50组的结论完全一致，最终让审稿人接受了这个看似不可能的结论。”

论文共同第一作者机械工程学院

“百人计划”研究员郑永嘉

经过热力学、动力学等原理分析，团队认为TMDC会优先在氮化硼纳米管这个模具的内壁生长出一条锯齿形纳米带。随后，在模具的限域作用和管壁振动下，锯齿型纳米带通过层间滑动、边缘闭合，进一步卷成扶手椅型的纳米管。与此同时，团队利用原位透射电子显微镜实时拍摄到了纳米带卷成纳米管的全过程，证实了该机制的可靠性，实现了从理论模拟到仪器观测的闭环验证。

扶手椅型的TMDC电子有效质量更低，载流子迁移率更高，天生适合做纳米级晶体管、高速电子器件等产品。这一关键机制的发现为后续TMDC的手性选择合成指明了方向。

偶然背后亦有必然

“这是我2022年从日本东京大学回国后，完全在国内本土完成的一项工作。从开始实验，观测到特殊的衍射现象，再到完整阐明背后机理并最终成功见刊，我们团队前后用了四年的时间。”项荣教授表示，“能发现特殊现象有偶然的幸运成分，但能完整地完成机理阐释与实验验证，其核心得益于浙江大学高水平实验平台的强力支撑。”

“说起浙大机械，很多人的第一印象是盾构机、液压装备这些‘大块头’国之重器。”中国工程院院士、机械工程学院杨华勇教授说，“事实上，在深耕高端装备主赛道的同时，我们近年来持续向原子级制造领域纵深布局，建成了世界一流的原子级制造实验平台。浙大机械既能挥舞重若千钧的‘金箍棒’，也能拿捏细如毫芒的‘绣花针’。”

一流的科研平台，也成为集聚顶尖人才的强磁场。“曾经有学界的朋友问我，为什么要离开深耕多年的熟悉环境，从东京大学来到浙大。”中国工程院外籍院士、浙大机械学院丸山茂夫教授说，“我说你亲自来看一看就懂了。后来他来浙大参加学术会议，参观完我们的实验室后笑着对我说，‘这下我彻底明白你为什么要来这里工作了’。”

国际顶尖人才的汇聚，也加速了团队的国际化建设步伐。“目前我们队伍里超过三分之一的是外籍成员，来自日本、欧洲、美国、印度、非洲，组会只能用英文。”项荣教授介绍，“目前国内也到了一个阶段，可以也必须吸引不同职业阶段的全球人才加入我们，正是如Abid这样优秀青年学者的加入，才造就了这次突破性的进展。而且，成长于不同文化背景的科研工作者共聚一堂，常常能碰撞出意想不到的灵感火花。这不仅能推动科研创新，对中国学生的成长培养也大有裨益，能很好地帮助他们在研究生阶段就建立起开阔的国际化学术视野。”